Durante los últimos 20 años, el Centro de Ciencia y Fusión de Plasma (PSFC) del MIT ha estado experimentando con la fusión nuclear a través del dispositivo de fusión nuclear de tipo tokamak (en forma de rosquilla) más pequeño del mundo: el Alcator C-Mod.
El objetivo? Para producir el reactor de fusión más pequeño del mundo, uno que aplasta una reacción de fusión en forma de rosquilla en un radio de 3,3 metros, tres de los cuales podrían alimentar a una ciudad del tamaño de Boston.
Los investigadores del MIT se están acercando a su objetivo, a pesar de un recorte reciente en los fondos federales que podría ralentizar su progreso.
Las lecciones ya aprendidas del dispositivo de fusión Alcator C-Mod más pequeño del MIT han permitido a los investigadores, incluido el candidato a doctorado del MIT, Brandon Sorbom, y el director de PSFC, Dennis Whyte, desarrollar el reactor conceptual ARC (asequible, robusto y compacto).
«Queríamos producir algo que pudiera producir energía, pero que fuera lo más pequeño posible», dijo Sorbom.
Un reactor de fusión por arco en funcionamiento utilizaría 50 megavatios (MW) de potencia para producir 500 MW de potencia de fusión, 200 MW de los cuales podrían entregarse a la red. Eso es suficiente para proporcionar electricidad a 200.000 personas.
Una mirada al interior del C-Mod del MIT, que tiene solo 0,68 metros de radio, el reactor de fusión más pequeño con el campo magnético más fuerte del mundo.
Mientras que otros tres dispositivos de fusión aproximadamente del mismo tamaño que el ARC se han construido en los últimos 35 años, no produjeron ni cerca de su potencia. Lo que distingue al reactor del MIT es su tecnología de superconductores, que le permitiría crear 50 veces la potencia que realmente consume. (La PSFC del MIT publicó el año pasado un artículo sobre el prototipo del reactor ARC en la revista científica ScienceDirect.)
Los potentes imanes del reactor ARC son modulares, lo que significa que se pueden quitar fácilmente y el recipiente de vacío central en el que se produce la reacción de fusión se puede reemplazar rápidamente; además de permitir actualizaciones, un recipiente extraíble significa que un solo dispositivo podría usarse para probar muchos diseños de recipientes de vacío.
Los reactores de fusión funcionan calentando gas de hidrógeno en un vacío, la fusión de átomos de hidrógeno forma helio. Al igual que con la división de átomos en los reactores nucleares de fisión de hoy, la fusión libera energía. El desafío con la fusión ha sido confinar el plasma (gas cargado eléctricamente) mientras lo calienta con microondas a temperaturas más altas que el Sol.
Energía sostenible
El resultado de construir con éxito un reactor ARC sería una fuente abundante de energía limpia y confiable, porque el combustible necesario, los isótopos de hidrógeno, está en suministro ilimitado en la Tierra.
«Lo que hemos hecho es establecer la base científica…para, de hecho, mostrar que hay un camino viable hacia adelante en la ciencia de la contención de este plasma para producir energía de fusión neta eventually eventualmente», dijo Whyte.
La investigación de fusión hoy en día se encuentra en el umbral de la exploración del» plasma ardiente», a través del cual el calor de la reacción de fusión se confina dentro del plasma de manera lo suficientemente eficiente como para que la reacción se mantenga durante largos períodos de tiempo.
Una mirada al exterior del dispositivo de fusión nuclear C-Mod del MIT. El proyecto C-Mod ha allanado el camino para un reactor de arco conceptual.
Normalmente, los gases como el hidrógeno se compone de moléculas neutras rebotando. Sin embargo, cuando sobrecalientas un gas, los electrones se separan de los núcleos creando una sopa de partículas cargadas que se sacuden a altas velocidades. Un campo magnético puede entonces presionar esas partículas cargadas en una forma condensada, forzándolas a fusionarse.
El enigma de 40 años de la energía de fusión es que nadie ha sido capaz de crear un reactor de fusión que produzca más energía de la necesaria para operarlo. En otras palabras, se requiere más energía para mantener el plasma caliente y generar energía de fusión que la energía de fusión que produce.
El reactor tokamak en funcionamiento de Europa llamado JET, tiene el récord mundial de creación de energía; genera 16 MW de energía de fusión, pero requiere 24 MW de electricidad para funcionar.
Los investigadores del MIT, sin embargo, creen que tienen la respuesta al problema de la energía neta y que estará disponible en un paquete relativamente pequeño en comparación con las plantas de energía de fisión nuclear de hoy en día. Al hacer el reactor más pequeño, también hace que sea menos costoso de construir. Además, el arco sería modular, permitiendo que sus muchas partes se eliminaran para reparaciones o actualizaciones, algo que no se había logrado anteriormente.
Lo que distingue al dispositivo de fusión del MIT
Lo que el MIT por sí solo ha hecho es crear el campo de contención magnética más fuerte del mundo para un reactor de su tamaño. Cuanto mayor sea el campo magnético, mayor será la reacción de fusión y mayor será la potencia producida.
«Estamos muy seguros de que podremos demostrar que este medio puede producir más potencia de fusión de la necesaria para mantenerlo caliente», dijo Whyte.
Una vista recortada del reactor ARC propuesto. Gracias a la nueva y potente tecnología de imanes, el reactor ARC, mucho más pequeño y menos costoso, proporcionaría la misma potencia de salida que un reactor mucho más grande.
Los reactores de fusión tendrían varias ventajas sobre los reactores nucleares de fisión actuales. Por un lado, los reactores de fusión producirían pocos residuos radiactivos. Los reactores de fusión producen lo que se llaman «productos de activación» con los neutrones de fusión.
La pequeña cantidad de isótopos radiactivos producidos son de corta duración, con una vida media que dura decenas de años frente a miles de años de productos de desecho de fisión, dijo Sorbom.
Los reactores también utilizan menos energía para funcionar que los reactores de fisión.
Mientras que el Alcator C-Mod actual del MIT no produce electricidad, demuestra los efectos de un campo de contención magnético en el plasma sobrecalentado, y por calor estamos hablando de 100 millones de grados Fahrenheit. En comparación, nuestro Sol tiene un frío de 27 millones de grados Fahrenheit.
Lejos de ser peligroso, el plasma de 100 millones de grados se enfría instantáneamente y reanuda un estado gaseoso cuando toca los lados internos del reactor. Es por eso que se necesita un poderoso campo magnético de contención.
Al igual que un reactor nuclear de fisión, un reactor de fusión sería esencialmente una máquina de vapor. El calor de la reacción de fusión controlada se utiliza para activar una turbina de vapor que, a su vez, acciona los generadores eléctricos.
El actual dispositivo de fusión C-Mod del MIT utiliza abundante deuterio como combustible de plasma. El deuterio es un isótopo de hidrógeno que no es radiactivo y se puede extraer del agua de mar.
Para crear un reactor de arco conceptual, sin embargo, se necesita un segundo isótopo de hidrógeno: tritio. Esto se debe a que la velocidad a la que se fusionan los isótopos de deuterio-deuterio es aproximadamente 200 veces menor que la velocidad a la que se fusionan los isótopos de deuterio-tritio.
El tritio, aunque radiactivo, solo tiene una vida media de unos 10 años. Aunque el tritio no se produce de forma natural, se puede crear bombardeando el litio con neutrones. Como resultado, se puede producir fácilmente como fuente sostenible de combustible.
Con reactores de fusión, más pequeño es mejor
Mientras que el reactor del MIT podría no caber convenientemente en el pecho de Tony Stark (que es una película después de todo), sería el reactor de fusión más pequeño con la cámara de contención magnética más poderosa de la tierra. Produciría la potencia de ocho Teslas o aproximadamente dos máquinas de resonancia magnética.
En comparación, en el sur de Francia, siete naciones (incluyendo los EE.UU.) han colaborado en la construcción del reactor de fusión más grande del mundo, el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) Tokamak. La cámara de fusión ITER tiene un radio de fusión de 6,5 metros y sus imanes superconductores producirían 11,8 Teslas de fuerza.
Sin embargo, el reactor ITER es aproximadamente el doble del tamaño de ARC y pesa 3.400 toneladas, 16 veces más pesado que cualquier recipiente de fusión fabricado previamente. El reactor en forma de D tendrá entre 11 y 17 metros de tamaño y un radio de plasma tokamak de 6,2 metros, casi el doble del radio de 3,3 metros del arco.
El concepto para el proyecto ITER comenzó en 1985 y la construcción comenzó en 2013. Tiene un precio estimado de entre $14 mil millones y 20 mil millones de dólares. Whyte, sin embargo, cree que el ITER terminará siendo mucho más caro, de 4 40 mil millones a 5 50 mil millones, basado en «el hecho de que la contribución de Estados Unidos» es de 4 4 mil millones a 5 5 mil millones, «y somos socios del 9%.»
Además, el calendario de finalización del ITER es 2020, con experimentos completos de fusión de deuterio-tritio a partir de 2027.
Cuando se complete, se espera que el ITER sea el primer reactor de fusión en generar energía neta, pero esa energía no producirá electricidad; simplemente preparará el camino para un reactor que pueda.
Se proyecta que el reactor ARC del MIT costará de 4 4 mil millones a 5 5 mil millones de dólares y podría completarse en cuatro o cinco años, dijo Sorbom.
La razón por la que ARC podría completarse antes y a una décima parte del costo del ITER se debe a su tamaño y al uso de los nuevos superconductores de alto campo que funcionan a temperaturas más altas que los superconductores típicos.
Normalmente, los reactores de fusión utilizan súper conductores de baja temperatura como bobinas magnéticas. Las bobinas deben enfriarse a aproximadamente 4 grados Kelvin, o menos 452 grados Fahrenheit, para funcionar. El dispositivo de fusión tokamak del MIT utiliza una cinta superconductora de óxido de cobre de bario de tierras raras (REBCO) de «alta temperatura» para sus bobinas magnéticas, que es mucho menos costosa y eficiente. Por supuesto, la «alta temperatura» es relativa: las bobinas REBCO funcionan a 100 grados Kelvin, o aproximadamente menos 280 grados Fahrenheit, pero eso es lo suficientemente cálido como para usar abundante nitrógeno líquido como agente de enfriamiento.
En su mano izquierda, Brandon Sorbom sostiene una cinta superconductora de óxido de cobre de bario de tierras raras (REBCO) utilizada en las bobinas magnéticas del reactor de fusión. En su mano derecha hay un típico cable eléctrico de cobre. El uso de la nueva cinta superconductora reduce los costes y permite al MIT utilizar abundante nitrógeno líquido como agente refrigerante.
» La tecnología que permite reducir el tamaño del dispositivo de fusión es esta nueva tecnología superconductora», dijo Sorbom. «Si bien los superconductores han existido desde finales de la década de 1980 en laboratorios, en los últimos cinco años, más o menos, las empresas han estado comercializando este material en cintas para proyectos a gran escala como este.»
Además del tamaño y el costo, la cinta REBCO también puede aumentar la potencia de fusión 10 veces en comparación con la tecnología superconductora estándar.
Sin embargo, antes de que se pueda construir el arco del MIT, los investigadores primero deben demostrar que pueden sostener una reacción de fusión. Actualmente, el reactor C-Mod del MIT funciona solo unos segundos cada vez que se enciende. De hecho, requiere tanta energía, que el MIT debe usar un transformador tampón para almacenar suficiente electricidad para que funcione sin oscurecer la ciudad de Cambridge. Y, con un radio de plasma de solo 0,68 metros, el C-Mod es mucho más pequeño que incluso el reactor ARC, por lo que antes de construir el reactor ARC, el próximo dispositivo de fusión del MIT, el Divertor Avanzado y el Experimento tokamak de RF (ADX), probará varios medios para manejar eficazmente las temperaturas similares al Sol sin degradar el rendimiento del plasma.
Después de lograr un rendimiento sostenible, el ARC determinará si es posible la generación neta de energía. El último obstáculo antes de que los reactores de fusión puedan suministrar energía a la red es transferir el calor a un generador.
Los federales cortan la financiación
El reactor tokamak C-Mod del MIT es una de las tres principales instalaciones de investigación de fusión en los Estados Unidos, junto con el DIII-D en General Atomics y el Experimento Nacional de Torus Esférico Upgrade (NSTX-U) en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.
Un investigador trabaja dentro del Wendelstein 7-X (W7-X) un reactor experimental de fusión nuclear construido en Greifswald, Alemania, por el Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). El reactor, terminado en octubre de 2015, es el más grande hasta la fecha.
Echando una llave a sus esfuerzos, el MIT se enteró a principios de este año de que la financiación de su reactor de fusión bajo el Departamento de Energía (DOE) está llegando a su fin. La decisión de cerrar Alcator C-Mod fue impulsada por restricciones presupuestarias, según Edmund Synakowski, director asociado de ciencia para las Ciencias de la Energía de Fusión (FES) del DOE.
En el presupuesto actual, el Congreso ha proporcionado 1 18 millones para el C-Mod del MIT, que apoyará al menos cinco semanas de operaciones en su último año y cubrirá los costos asociados con el cierre de la instalación, dijo Synakowski en una respuesta por correo electrónico a Computerworld. (Los investigadores esperan encontrar otras fuentes de financiación para compensar la pérdida.)
El PSFC tiene aproximadamente 50 Ph.D estudiantes que trabajan para desarrollar la energía de fusión. Los estudiantes anteriores han dejado el MIT para iniciar sus propias empresas o desarrollar proyectos académicos fuera del MIT.
Asegurarse de que los científicos y estudiantes del MIT puedan hacer la transición a colaboraciones en otras instalaciones de investigación de energía de fusión financiadas por el DOE en los Estados Unidos, especialmente las dos instalaciones principales: DIII-D en General Atomics en San Diego y NSTX-U en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, ha sido «una de las principales preocupaciones», dijo Synakowski.
Durante el último año fiscal, FES trabajó con el MIT para establecer un nuevo acuerdo de cooperación de cinco años, que comenzó en septiembre. el 1 de septiembre de 2015, para permitir a sus científicos la transición a colaboraciones financiadas por FES.
Whyte, sin embargo, cree que la promesa de la energía de fusión es demasiado importante para que la investigación se reduzca.
«La fusión es demasiado importante para tener un solo camino hacia ella», dijo Whyte. «Mi lema es más pequeño y más pronto. Si podemos, la tecnología que nos permite acceder a dispositivos más pequeños y construir una variedad de ellos…, entonces esto nos permite llegar a un lugar donde tenemos más opciones sobre la mesa para desarrollar la fusión en una escala de tiempo más rápida.»
Y, dijo Whyte, la base científica para los pequeños reactores de fusión se ha establecido en el MIT.
» Lo hicimos a pesar del hecho de que tenemos el más pequeño de los principales experimentos en todo el mundo. De hecho, tenemos el récord de presión de este plasma. La presión es una de las barras fundamentales que tienes que superar», dijo Whyte. «Estamos muy entusiasmados con esto.»